CN111520924A - 一种地下人工热储构造 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下人工热储构造，包括热交换通道、注水井、生产井；所述热交换通道在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙。本发明可因地制宜、量体裁衣选择最适应应用的地下人工热储构造构建方式，选择综合性价比高的技术施工工艺，做到简便、经济、满足使用需求；结合地上用热产业的现状和未来区域发展规划对用热产业进行前瞻性布局；可根据总用热量及用热产业的类型进行深度的工程设计，完善项目对实际应用的工程量和生产参数的计算；采热技术方案具备换热效率高、持续性久、系统运行稳定故障率低；实现合理综合投入产出性价比的经济指标。

Description

一种地下人工热储构造
技术领域
本发明涉及一种干热岩的热能开采应用领域，具体涉及一种地下人工热储构造。
背景技术
深层地热资源尤其是干热岩的热能开采应用方面，由于该储层的热储资源量相对比较丰富，而且现有诸多的开采技术日趋成熟，在未来能源市场作为可替代的可再生清洁能源开发条件均已具备。从近几十年来全球地热能综合开发与利用所取得的成就足以证明，对深层地热进行规模性的开采和广泛性的综合利用具备了可持续发展的条件。通过专利检索，发现已有技术均局限在一些理论模型，没有深入到与施工工程能力和供热产业寻求应用相结合进行地下人工热储构造的构建。在中国境内尚无应用深层地热进行工业化开采和应用的案例。在境外有部分应用案例，但仅局限在发电应用领域。
深层地热能综合应用的两大核心环节是：第一是选择优质资源的靶区点。该方面的内容在本发明人中国专利申请号CN201911138727.5已有详细说明。第二是构建一套适合地上用热产业高效利用的地下人工热储构造，以保障深层地热能开发项目具备采热效率高、持续性久、投入产出性价比合理。
当前地热能综合应用领域的技术人员和专家学者们，在构建地下人工热储构造方面，提出的方式方法在实际应用中仍存在诸多问题。例如，在工程实际实施过程中存在较大的技术难度；地上用热产业已形成的现状格局，包括未来用热产业的发展规划与地下热储构造无法进行合理化的匹配应用；项目投入产出回报率偏低，行业吸引资本的力度不强；在采热过程中，需大量抽取地下热水，造成地下水资源的严重破坏；从地下采出的热水或蒸汽水产生大量的结垢、造成设备堵塞无法正常运行等。由于深层地热开发与利用仍处在初期发展阶段，从业人员受知识面和经验等局限，现有专利仅仅是一些理论性的模型，缺乏从实际应用的考虑，专业知识单一，没有从多领域结合的角度去解决实际问题。深层地热能的开发与利用仍需政府从政策层面的大力支持和资本投资的力度加强。
发明内容
本发明提供一种地下人工热储构造，其解决具体问题的针对性来自于五个方面：第一，如何因地制宜，通过地勘获得当地地下热储资源的3D模型，量体裁衣选择最适应应用的地下热储构造构建方式？第二，如何选择综合性价比高的技术施工工艺，做到简便、经济、满足使用要求？第三，如何更好的结合地上用热产业的现状和未来区域发展规划对用热产业进行前瞻性布局？第四，针对地上产业的总用热量和用热产业的类型，对地下热储构造进行深度的工程设计？并完善项目对实际应用的工程量和生产参数的计算，编制出工程施工手册？第五，如何实现采热技术方案具备换热效率高、持续性久、系统运行稳定故障率低？如何实现合理综合投入产出性价比的经济指标？
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地下人工热储构造，至少包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道、与热交换通道相连通将地面冷水注入的注水井、与热交换通道相连通将热交换通道加热的热水导出地面进行利用的生产井；所述热交换通道在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙。
作为对上述技术方案的改进，所述热交换通道至少为一组，每一组热交换通道有若干个；当所述热交换通道为一组时，若干个所述热交换通道相平行设置；当所述热交换通道为两组时，同组内的若干个热交换通道平行设置，不同组的热交换通道平行设置或相交设置。
作为对上述技术方案的改进，所述热交换通道为竖井或为斜井；当所述热交换通道为斜井时，所述热交换通道的中心轴线与垂直方向的夹角为25°～45°。
作为对上述技术方案的改进，当所述热交换通道为斜井时，所述地下人工热储构造还包括位于热交换通道下方且与热交换通道平行设置下辅井，所述下辅井和热交换通道的进口端与注水井相连通，所述下辅井和热交换通道的出口端与通道井相连通并通过通道井与生产井相连通；
当所述热交换通道为竖井时，所述热交换通道上方和下方分别设置有与热交换通道相交并连通的上辅井和下辅井，所述下辅井的进口端与注水井连通，所述热交换通道的进口端通过下辅井与注水井连通，所述上辅井的出口端与生产井相连通，所述热交换通道的出口端通过上辅井与生产井连通；所述热交换通道最外侧设置或不设置与热交换通道平行的通道井，当热交换通道最外侧设置有通道井时，所述通道井的进口端与下辅井相连通，出口端与上辅井相连通。
作为对上述技术方案的改进，所述上辅井和下辅井为大斜度井或为水平井；当所述上辅井和下辅井为大斜度井时，其与垂直方向的夹角为25°～45°，所述下辅井与作为热交换通道的斜井平行设置，或者所述下辅井和上辅井与作为热交换通道的竖井相交；当所述上辅井和下辅井为水平井时，所述上辅井和下辅井与垂直方向的夹角为80°～90°，所述上辅井和下辅井与作为热交换通道的竖井相交或还与通道井相交。
作为对上述技术方案的改进，所述热交换通道设置在硬质岩体储层中或软质岩体中或岩层裂隙处；所述硬质岩体储层是指强度≧30Mpa的岩体岩层，所述热交换通道采用压裂工艺设置在硬质岩体储层中；所述软质岩体是指强度<30Mpa的岩体岩层，所述热交换通道采用金属套管+外管壁固井的方式设置在软质岩体中或岩层裂隙处。
作为对上述技术方案的改进，所述注水井、下辅井、通道井内衬设金属套管，生产井、上辅井、平衡井内衬非金属套管或内衬保温防腐层的金属套管。
作为对上述技术方案的改进，所述金属套管为中碳钢管或合金钢管，所述非金属套管为PP管或PE管或PC管或树脂纤维复合套管。
作为对上述技术方案的改进，所述金属套管的导热系数为40～70W/mK；非金属管的平均导热系数为：0.6～17W/mK；硬质岩石导热系数平均约为1.8～2.2W/mK；软质岩层的导热系数平均为：0.2～0.8W/mK。
作为对上述技术方案的改进，所述注水井为一个，所述生产井为一个或多个；所述注水井与生产井之间或生产井与生产井之间设置有平衡井以连通注水井与生产井来平衡生产井与注水井之间的压力，所述平衡井设置在热储构造层上端接近地面的任意合适位置；所述平衡井的口径面积≤1/3生产井口径面积。
作为对上述技术方案的改进，所述注水井的开采深度H1为2500～9000米；热交换通道长度H3为20～250米；在垂直方向，所述热交换通道6相邻间距或与通道井的间距L3≧200米，在水平方向，所述热交换通道6相邻间距或与下辅井之间的间距H6≧25米。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的地下人工热储构造，1、是一套在地热能综合开发与利用领域里，在构建地下人工热储构造时，可根据实际需求进行不同选型的系统性技术解决方案。在本发明中给出了8种不同类型的地下人工热储构建方式见热储构造选型附表。其优点和作用体现在：第一，可因地制宜。通过地勘获得当地地下热储资源的3D模型，量体裁衣选择最适应应用的地下人工热储构造构建方式；第二，选择综合性价比高的技术施工工艺，做到简便、经济、满足使用需求；第三，结合地上用热产业的现状和未来区域发展规划对用热产业进行前瞻性布局；第四，可根据总用热量及用热产业的类型进行深度的工程设计，完善项目对实际应用的工程量和生产参数的计算，编制出工程施工手册；第五，采热技术方案具备换热效率高、持续性久、系统运行稳定故障率低；实现合理综合投入产出性价比的经济指标。
2、本发明可根据上述五个因素选择最适宜的地下人工热储构造类型。在具体的项目应用时，根据本发明提供的计算公式，结合实地的测绘数据、应用需求指标值、以及工程技术规范等，完成相关地热综合开发与利用项目的工程设计工作。
3、在具体项目的落地实施过程中，本发明可指导完成系统化的技术应用、工程设计应用到采热用热技术指标计算都给出了解决办法。按照上述工作原理描述；本发明公开的构建地下人工热储构造其优势在于：第一，以满足地上用热产业的技术指标要求和产业集群的分布方式，提供多样性的选项方法。第二，从降低施工技术难度，提高产热效率，合理控制施工成本，针对不同的地质构造状况构建适用的地下人工热储等，具有综合性的技术叠加优势。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图。
图5为本发明实施例5的结构示意图；
图6为本发明实施例6的结构示意图；
图7为本发明实施例7的结构示意图；
图8为本发明实施例8的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例的地下人工热储构造，属于A型结构，即单产井型A型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。
热交换通道6有若干个，为一组；若干个热交换通道6相平行设置；热交换通道6为竖井。热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道6相交并连通的上辅井7和下辅井8，下辅井8的进口端与注水井4连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7与生产井5连通；热交换通道6最外侧设置与热交换通道6平行的通道井9，通道井9的进口端与下辅井8相连通，出口端与上辅井7相连通。上辅井7和下辅井8为大斜度井，其与垂直方向的夹角为25°～45°，下辅井8与作为热交换通道6的斜井平行设置。
注水井4为一个，生产井5为一个，平行设置；注水井4与生产井5之间设置有平衡井10以连通注水井4与生产井5来平衡生产井5与注水井4之间的压力，平衡井10设置在热储构造层上端接近地面的任意合适位置；平衡井10的口径面积≤1/3生产井口径面积。
热交换通道6设置在硬质岩体储层中或软质岩体中或岩层裂隙处；硬质岩体储层是指强度≧30Mpa的岩体岩层，热交换通道6采用压裂工艺设置在硬质岩体储层中；软质岩体是指强度<30Mpa的岩体岩层，热交换通道6采用金属套管+外管壁固井的方式设置在软质岩体中或岩层裂隙处。
注水井4、下辅井8、通道井9内衬设金属套管，生产井5、上辅井7、平衡井10内衬非金属套管或内衬保温防腐层的金属套管。
金属套管为中碳钢管或合金钢管，非金属套管为PP管或PE管或PC管或树脂纤维复合套管。金属套管的导热系数为40～70W/mK；非金属管的平均导热系数为：0.6～17W/mK；硬质岩石导热系数平均约为1.8～2.2W/mK；软质岩层的导热系数平均为：0.2～0.8W/mK。
注水井4的开采深度H1为2500～9000米；热交换通道6长度H3为20～250米；在垂直方向，热交换通道6相邻间距或与通道井的间距L3≧200米。
实施例2
如图2所示，本实施例的地下人工热储构造，属于A-A型结构，即双产井A-A型。包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道加热的热水导出地面进行利用的生产井5，本实施例中注水井4为一个，生产井5为两个且平行设置并位于注水井4两侧；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。热交换通道6为两组，同组内的若干个热交换通道6平行设置，不同组的热交换通道6同样平行设置。热交换通道6为竖井。热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道6相交并连通的上辅井7和下辅井8，下辅井8的进口端与注水井4连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7与生产井5连通；热交换通道6最外侧设置与热交换通道6平行的通道井9，通道井9的进口端与下辅井8相连通，出口端与上辅7井相连通。上辅井7和下辅井8为大斜度井，其与垂直方向的夹角为25°～45°，下辅井8和上辅井7与作为热交换通道6的竖井相交。
其余同实施例1，此处不再详细叙述。
实施例3
如图3所示，本实施例的地下人工热储构造，属于A-B型结构，即双产井A-B型。包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5、13、14，本实施例中注水井4为一个，生产井图中用5、13、14表示为三个且平行设置，位于注水井4一侧；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。热交换通道6为两组，同组内的若干个热交换通道6平行设置，不同组的热交换通道6同样平行设置。热交换通道6为竖井。热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道6相交并连通的上辅井7、11和下辅井8、12，下辅井8的进口端与注水井4连通，另一侧的下辅井12与下辅井8连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8、12与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，另一侧的上辅井11与上辅井7连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7、11与生产井5连通；上辅井7、11和下辅井8、12为大斜度井，其与垂直方向的夹角为25°～45°，下辅井8、12和上辅井7、11与作为热交换通道6的竖井相交。
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
实施例4
如图4所示，本实施例的地下人工热储构造，属于B型结构，即单产井型B型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5，热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。
热交换通道6有若干个为一组；若干个热交换通道6相平行设置；热交换通道6为斜井，热交换通道6的中心轴线与垂直方向的夹角为25°～45°。地下人工热储构造还包括位于热交换通道6下方且与热交换通道平行设置下辅井8，下辅井8和热交换通道6的进口端与注水井4相连通，下辅井8和热交换通道6的出口端与通道井9相连通并通过通道井9与生产井5相连通；
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
实施例5
如图5所示，本实施例的地下人工热储构造，属于B-B型结构，即双产井B-B型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5，本实施例中注水井4为一个，生产井5为两个且平行设置并位于注水井4的两侧；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。热交换通道6为两组，同组内的若干个热交换通道6平行设置，不同组的热交换通道6斜交设置。热交换通道6为斜井，热交换通道6的中心轴线与垂直方向的夹角为25°～45°。地下人工热储构造还包括位于热交换通道6下方且与热交换通道平行设置下辅井8，下辅井8和热交换通道6的进口端与注水井4相连通，下辅井8和热交换通道6的出口端与通道井9相连通并通过通道井9与生产井5相连通；下辅井8为大斜度井，其与垂直方向的夹角为25°～45°，下辅井8与作为热交换通道6的竖井相交。
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
实施例6
如图6所示，本实施例的地下人工热储构造，属于C型结构，即单产井C型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。
热交换通道6为一组，一组热交换通道6有若干个；若干个热交换通道6相平行设置。热交换通道6为竖井，热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道相交并连通的上辅井7和下辅井8，下辅井8的进口端与注水井4连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7与生产井5连通；热交换通道6最外侧设置与热交换通道6平行的通道井9，通道井9的进口端与下辅井8相连通，出口端与上辅井7相连通。上辅井7和下辅井8为水平井，上辅井7和下辅井8与垂直方向的夹角为80°～90°，上辅井7和下辅井8与作为热交换通道6的竖井相交并还与通道井9相交。
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
实施例7
如图7所示，本实施例的地下人工热储构造，属于C-C型结构，即双产井C-C型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。
热交换通道6为两组，两组热交换通道6有若干个；若干个热交换通道6相平行设置。热交换通道6为竖井，热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道相交并连通的上辅井7和下辅井8，下辅井8的进口端与注水井4连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7与生产井5连通；热交换通道6最外侧设置与热交换通道6平行的通道井9，通道井9的进口端与下辅井8相连通，出口端与上辅井7相连通。上辅井7和下辅井8为水平井，上辅井7和下辅井8与垂直方向的夹角为80°～90°，上辅井7和下辅井8与作为热交换通道6的竖井相交并还与通道井9相交。
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
实施例8
如图8所示，本实施例的地下人工热储构造，属于C-B型结构，即双产井C-B型，包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道6、与热交换通道6相连通将地面冷水注入的注水井4、与热交换通道6相连通将热交换通道6加热的热水导出地面进行利用的生产井5、13、14，本实施例中注水井4为一个，生产井图中用5、13、14表示为三个且平行设置，位于注水井4一侧；热交换通道6在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙在图中用热交换通道6周部如网状的细线条表示。热交换通道6为两组，同组内的若干个热交换通道6平行设置，不同组的热交换通道6同样平行设置。热交换通道6为竖井。热交换通道6上方和下方分别设置有与热交换通道6相交并连通的上辅井7、11和下辅井8、12，下辅井8的进口端与注水井4连通，另一侧的下辅井12与下辅井8连通，热交换通道6的进口端通过下辅井8、12与注水井4连通，上辅井7的出口端与生产井5相连通，另一侧的上辅井11与上辅井7连通，热交换通道6的出口端通过上辅井7、11与生产井5连通；上辅井7和下辅井8为水平井，上辅井7和下辅井8与垂直方向的夹角为80°～90°，上辅井7和下辅井8与作为热交换通道6的竖井相交并还与通道井9相交。
其余同前面实施例，此处不再详细叙述。
此处将上述实施例总结如下：
(1)本发明所构建地下人工热储构造的工作原理说明：构建地下人工热储构造的目的是为了满足地上用热产业的应用需求，地上的产业布局应用方案，在本发明人的中国专利申请号CN201911138727.5中有详细的描述。本发明内容总览参见最后的附表，该附表是本发明公开的8种不同的地下人工热储构造进行了汇总和比较，作为选型对照之用。每种热储构造类型的详细原理见附图1至8所示，在各构造图中的1、2、3分别是对地上用热产业设施的示意性表示：1是地上冷水回收及注水设备；2是用热产业，其中包括发电设施设备；3是输变电设施。本发明的重点是构建地下人工热储构造方法，公开了8种类型。其工作原理是由两种不同的流体循环方式构成：即，一种是单注水井和单生产井的循环方式A型、B型、C型；另一种是单注水井和多生产井循环方式。后者又分为：独立工作腔采热热储构造A-A型，B-B型，C-C型和共享工作腔采热热储构造A-B型，C-B型。独立工作腔的工作特点是：由注水井注入的冷水，经过地下人工热储构造加热后再由生产井产出蒸汽热水的过程中，在井底部加热部分的工作腔是独立的循环系统，该工作腔所产生的所有热流体都是由其对应的生产井产出，是唯一的产出井。而共享工作腔则不同，所对应的热能产出井是两口或多口。共享工作腔的工作特点是同一地下热储构造同时供给多口生产井产出的热能。采用独立工作腔构建的热储构造以独立循环的运行方式在为地上用热产业输出热能时，不会受其他生产井或其他用热产业的影响。采用共享工作腔构建的热储构造是以一个循环系统带动两口或多口生产井的运行方式为地上多个用热产业输出的方式提供热能。两者的特点不同，独立工作腔适用于为一个大型的用热产业提供持续性的供热保障，不会受到因其他用热产业出现用热量变化或运行故障而受影响。共享工作腔适用于两个或多个小型用热产业通过不同的生产井提供热能。在此说明：关于“大型”或“小型”用热产业的区分标准是根据井下生产热量与地上产业用热的比例关系而确定。即，当地下采热量与地上用热量之比≦200％时，地上产业属于大型用热产业。当地下采热量与地上产业用热量之比>200％时，地上产业属于小型用热产业。可见该“大”“小”型用热产业的界定是由地下产热量与地上单一产业用热量之比而确定。
(2)本发明公开的8种类型的地下人工热储构造，无论是单注水井和单生产井的循环方式A型、B型、C型，或者是单注水井和多生产井循环方式，均是由注水井向生产井方向流动完成采热的工作过程。即，地上生产用水经过注水井4直接或经过下辅井8或12到达底部开采深度H1根据项目目标采热深度，通常2500～9000米。在底部构建多个平行热交换通道6对工作循环水进行换热升温达至最高采热温度，然后在上辅井7或11汇集后，经生产井5或13、14产出蒸汽或热水供地上用热产业使用，使用后的冷却水再经过回收利用，由注水井4回注到地下，依此往复循环，完成地下由采热到释热全过程的封闭式工作循环。循环系统进入正常工作运行后就，仅需给予阶段性的补水即可。图中所示的平衡井10，其作用是将生产井与注水井联通，起到压力平衡的作用。平衡井10可设置在热储构造层上端接近地面的任意合适的位置即可，平衡井10的口径尺寸不应大于生产井通经面积的1/3。其作用是保持生产井与注水井以及底部热交换的通道之间，靠自身温差形成一个微循环系统，该微循环的流动可降低对地面注水井水泵的工作压力值，减少运行过程中的动力能耗。但是，如果平衡井10的口径面积>1/3生产井口径面积,会直接导致生产井的热能产出量下降或输出蒸汽或热水热能的压力不足。该参数需要特别注意。
(3)本发明除了图3和图8以外，其他六种热储构造独立工作腔类型中，均布置了通道井9，该设置在本发明中具有特殊功能。按照常规布井原理理解，即使取消通道井9，注水井与生产井可通过热交换通道6实现联通。在本发明过程中，经过对地下人工热储构造流动性的模拟流动分析后，特别设置了通道井9。其作用在于：能有效避免部分热交换通道6，在高温状态下不会出现流动性“死角”。即，在地下热岩层温度>100℃时，当注水井水体流经到达井底部时，液体水流会被瞬间汽化。该汽化而导致体积和压力产生巨大的膨胀压，从而造成对通道“汽堵”现象，如果汽堵没有被有效排除或释放，便使得有效工作换热面减少，影响生产井的供热总产能输出。通道井9的设置，会有效的避免该“汽堵”现象的出现，而且会通过自身温度和压力的变化关系有序排列，迫使所有热交换通道6都处于高效热交换的状态。
(4)对本发明公开的8种不同类型构建地下人工热储构造，在选用的施工工艺和用材要求是：注水井4、或8、12、9选用金属套管如，中碳钢、合金钢等，生产井5、7和平衡井10选用非金属套管PP、PE、PC、树脂纤维复合套管等或金属内壁衬保温防腐层。井底部热交换通道6在整体硬质岩石处采用截面压裂，在软质岩层或裂隙部位采用金属套管如，中碳钢、合金钢等的方式外部加固方式。硬质岩体与软质岩体的区分标准为：硬质岩体强度≧30Mpa，软质岩体强度<30Mpa。
(5)在本发明所公开的8种不同类型的地下人工热储构造的构成方式及分类说明：
所有不同类型的热储构造均以单口注水井为基础所做出的不同分类设计。依此类推，如果增加注水井的数量，在本发明原理上可延伸出更多应用。该8种不同类型的热储构造可根据产出规模、施工手段、地上产业布局方式等进行分类选型。见附表即：
按照产热生产井的数量上可分为：单产井型A型、B型、C型和双多产井型A-A型、A-B型、B-B型、C-C型、C-B型。
按照钻井施工工艺不同可分为：垂直井、竖井+大斜度井+定向井型A型、A-A型、A-B型、B型、B-B型垂直井、竖井+水平井+定向井型B型、B-B型、C型、C-C型、C-B型。地下储层改造技术在两种分类中均会采用。
按地上用热产业的布局方式可分为：产业集中式布局A型，A-A型、B型、C型、C-C型；产业离散式布局A-B型，B-B型，C-B型；产业带状分布式布局A-C型和C-B型。
在本发明附图所示的8种类型热储构造仅是在一个垂直剖面的示意图，除单产井热储构造A型、B型、C型外，其余五种多口生产井类型，均可由公共注水井4延轴向水平旋转，理论上可在任意转角方向进行复制，或者复制出本发明所公开的其他类型热储构造，其应用范围更加广阔。
(6)本发明的技术关键部分在于
第一，利用高效采热的原理：地热能是地球诞生之后残留在其内部的热能，并通过大地热流不断由地核向地壳方向释放。在本发明中获取高效采热原理依据是：
通过实地勘察数据，对该区域进行大地热流值进行分析与计算。其公式是：q＝-100Kr dT/dz式中，q是大地热流，μcal/cm·s，通常缩写为HFUHeat Flow Unit；Kr是岩石导热率，cal/cm·s·℃；dT/dz地温梯度，℃/hm，负号表示垂向坐标向地表为正；T是温度，℃；z是深度，m。
依据热工原理，分析获取最大的热交换采热量。其计算公式是：Q＝F*kK*△tmQ是总的换热量，F是换热器的有效换热面积；k是污垢系数一般取0.8～0.9；K是传热系数；△tm是对数平均温差。
依据上述原理和公式，为了实现最大化的换热效率，本发明做了三个方面的定位：即，在满足工程施工技术条件的前提下1增加热交换通道与周围岩体的接触面积；2选用导热系数较大的套管和固井材料；3热交换通道尽量布局在与大地热流方向垂直的平面方向，提升地下人工热储构造热交换效率。该三个定位要素的叠加，是确保本发明公开的8种不同热储构造类型的技术理论和计算基础性依据。
第二，利用成熟的工程技术：在施工工程技术方面，本发明所公开的8种不同型号的热储构造如图1至图8所示仅需要两套组合型工艺就可实现：一套是采用“垂直井、竖井+大斜度井+定向井+储层改造”工艺；另一套是采用“垂直井、竖井+水平井+定向井+储层改造”工艺。大斜度井的倾斜角A图1至图5所示控制在25°～45°之间均可；水平井的倾斜角B图6至图8所示控制在90°～80°之间均可。图1至图8中井底部热交换通道6就是采用储层改造技术：在横断面方向进行压裂，其目的是为了增加热交换通道的热交换面积，同时在流体经过压裂口部位时会产生旋流，起到降低流速增加热交换时间，从而提升换热效率。热交换通道6采用压裂工艺仅在硬质岩体强度≧30Mpa储层中使用，如热交换通道处在软质岩体强度<30Mpa或岩层裂隙处，则采用金属套管+外管壁固井的方式。在硬质岩体层采用通道截面方向局部压裂以增加换热面积；在软质岩体层或岩体裂隙部位采用金属套管+固管技术，建立热储构造通道，是依据不同材质的导热系数和换热方式的属性所做出的选定：金属套管的导热系数平均约为：40～70W/mK；非金属高强度纤维复合高效套管的平均导热系数为：0.6～17W/mK,个别特殊材质56～80W/mK；硬质岩石导热系数平均约为：1.8～2.2W/mK；软质岩层的导热系数平均为：0.2～0.8W/mK；混凝土1.2～1.6W/mK。依据上述不同材质的换热系数比较可见：本发明采用金属套管的平均导热系数是硬质岩层的数倍。增加金属套管+固管技术不但不会降低换热效率，反而会增加热交换通道对周边的吸热效果，提高热交换效率。注水井4和8采用全程金属套管外部加固，其目的是注入地下的水载体不接触地下物质，可避免循环水泄露、水质被地下物质改变、井壁被冲刷受损、提高导热效率。出水井选用非金属套管5和7采用全程非金属套管外部加固，其目的是减少管壁出现结垢或堵塞，非金属套管导热系数低、耐磨损性强，可减少井底部高温水蒸汽到达地上过程的热损失，延长工作寿命。
本发明在构建井底部热交换通道时要特别注意：井底部热交换通道6的长度H3，如图1、图2、图3、图6、图7、图8所示，根据物探测得的热储岩层的厚度情况而定，可在20～250米之间选择合适的尺寸。热交换通道6与下辅井8采用平行方式布井，若施工条件允许，通道尽量与下辅井8在水平方向保持偏离3倍通道直径的距离，则热交换效果最佳。若施工有难度，H6的尺寸距离需要≧25米。
第三，合理布局地下空间并利用储层改造技术：井底部热交换通道排布尽量是在大地热流方向的垂直面上。该方向排布是获取持续性热能的最佳方向。考虑到施工技术便利可行，热交换通道6相邻间距选择L3≧200米，该间距可保持持续性的热能不会受到大量采热的影响。布置热储热交换通道时，避免相邻通道在近距离的大地热流上下方向的布局。否则，下部热交换通道大量吸取热量后会影响上部热交换通道的热交换效率。如遇到类似情况，可将H5≧25米，就不会受到影响。在热力工程进行换热总量的计算时，有效换热面积的取值是在大地热流垂直平面上的投影面积进行计算，以免工程完工后运行时，出现实际输出量未能达到设计的总输出量。
第四，以满足地上用热产业需求为目的：本发明所公开的地下热储构造的8种不同构建方式，是为了适应地上用热产业的规划布局状况以及不同的用热类型所提出的。同时可根据工程施工能力、采热需求总量、用热产业特性选择出一个最适宜使用的地下人工热储构造的构建方法，以达到与地上产业需求的最佳匹配，实现合理的投入产出性价比。即，按照用热产业的规模可选择：单产井型A型、B型、C型、双产井A-B型、C-B型和多产井型A-A型、B-B型、C-C型型。按照钻井主要施工工艺不同可选择：垂直井、竖井+大斜度井+定向井型A型、A-A型、A-B型、B型、B-B型和垂直井、竖井+水平井+定向井型B型、B-B型、C型、C-C型、C-B型。根据地表用热产业的布局方式可选择：集中式布局A型，A-A型、B型、C型、C-C型；分布式布局A-B型，B-B型，C-B型、A-C型和C-B型参见《附表》。任何一种热储构造类型，均可以增加井底部热交换通道6的数量和延长地下空间长度L1、L2实现供热量的需求。按照本发明公开的任何一种方式构建的热储构造类型，即便是已经建成投产的项目，也可采用同样的方式进行改造升级，提升产热供给量。
以上四个方面，适用于中层及深层地热能的综合开发与利用，通常钻井深度范围为2500-9000米深度，构建地下人工热储构造，依据多方面的实际应用需求进行选用。
(7)本发明构建人工地下热储构造构的实施步骤：根据在具体的实际应用需求，进入到项目的开发阶段，共分为六个步骤实施：第一，地质勘查：采用常规勘察方式完成对深层地热源的重要参数采集。其中包括：地温梯度的变化曲线、大地热流参数、岩层构造取样分析、热储层的3D模型推演等；第二，产业布局及需求量分析：收集地上用热量和用热类型的分析调研，包括未来区域产业发展规划等；第三，热储构造选型，依据本发明附表，对地下人工热储构造进行初步选型；第四，地下热储构造开发工程设计：依据前置阶段的参数，依据产业需求参数和行业设计规范进行工程设计；第五，工程施工及设施安装；委托专业机构进行相关的专业实施作业；第六，测试验收投产：依据设计要求对相关指标进行测试验收，进入生产运行工作阶段。
(8)依据上述对本发明的具体描述，在地热能综合开发与利用领域的地下人工热储构造构建方面，以高效采热、技术可行、投入产出合理、适用于具体的用热产业为目标，本发明给出了一个具有指导性作用的系统化技术解决方案。
本发明所涉及的术语解释如下：
1、“垂直井”：沿着与地面垂直方向钻井，其井眼轴线的斜度变化符合技术标准规定的井。
2、“竖井”：是洞壁直立的井状管道，实际是一种坍陷漏斗。在平面轮廓上呈方形、长条状或不规则圆形。井壁陡峭，近乎直立。竖井被广泛应用于石油天然气开采、水利水电工程的取水、引水、通排风、溜渣、补气，竖井施工具有占地面积小、对周边施工干扰少等特点。然而，竖井施工空间小、工期长、登高及临边作业多、通行不便，导致竖井施工的安全风险突出。竖井可按照其直径、断面形状和深度等进行分类。
3、“大斜度井”：指采用大斜度钻技术完成的钻井工程，是利用特殊的井底动力工具与钻头和定向仪器施L：钻井斜长与垂深之比大于2,通常井斜角在60°～86°。的定向钻井技术。
4、“水平井”：水平井是最大井斜角达到或接近90°(一般不小于86°)，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。有时为了某种特殊的需要，井斜角可以超过90°，“向上翘”。水平井技术综合多种学科的一些先进技术成果，被誉为石油工业发展过程中的一项重大突破。
5、“储层改造技术”：通常应用于石油天然气开采领域，是为了提高油气井产量或注水井的注水量而对储层采取的一系列工程技术措施的总称。主要针对储层特性与生产状况，研究与其相适应的经济有效的技术措施，以提高井筒与储层的连通性，达到增产增注的目的。储层改造技术主要包括：(1)各种不同介质的压裂技术，如水力压裂技术、酸压裂技术、泡沫压裂技术、高能气体压裂技术等，其主要目的是在致密储层中产生一条或多条具有一定导流能力的裂缝以利于油气从储层流向井筒；(2)各种不同的基质酸化技术，如砂岩酸化技术、碳酸盐岩酸化技术等，其与压裂的差别主要在于基质酸化技术是在低于储层破裂压力下注入化学剂，因而不产生裂缝。酸化增产增注的原理是化学解堵剂注入地层后，溶解储层中的某些物质，恢复和提高了近井地带的渗透率。
6、“大地热流值”：地球内部的热能通过岩层传导和地热流体对流作用不断向地球表面散失，热流方向总是垂直于地面，以大地热流值表征热流状况，定义为单位时间内通过地球表面单位面积的热流值。该值是一个非常重要的综合性参数，是地球内热在地表唯一可以量测的物理量，比其他地热参数更能确切地反应某个地区地温场的特点。
7、“中深层地热”：指地球由于地核的连续核反应通过地幔向外释放出大量的热量，同时不断接收来自太阳的热辐射，在地壳中蕴含着巨大的地热能，这部分地热能就是地热资源。在现有科学技术条件下，可利用的地热资源的范围一般指在地壳表层以下7000米以内地层、水体和岩石所含的热量。按照埋藏深度，200米以内的属于浅层地热能，称为浅层地热资源，温度大约在18～25℃左右，随着深度增加，正常状态为埋深每增加100米，温度升高3℃。埋深200～3000米的属于中层地热，称为中层地热资源，温度在65～150℃之间。埋深3000米以下属于深层地热，称为深层地热资源，温度在150～650℃之间。地热资源一般分地层、水体和岩石等三种形态在地壳内贮存。
8、“地下人工热储构造”：首先“热储构造(reservoir structure)”是指热储、盖层和热储岩体中的断裂系统。是盖层位于储热层之上，起隔水隔热的封闭作用。某些原来无盖层的储热层，经过长期的水热活动，使上覆松散沉积物发生水热蚀变，或热水所含矿物质发生沉淀，使松散沉积物转变为不透水的泉胶岩层，形成的盖层称自封闭盖层。而“地下人工热储构造”特指利用人为的工程施工技术方式，以多种不同的井下作业工艺方法，在地下热储构造层构建一个以采集地下热能为目的的地下人工结构工程。该名词通常被用于对干热岩(EGS增强型地热)开发与利用领域里，作为一项重要的地下工程施工设施。
本发明具有如下效果：
1、发明公开的是一套在地热能综合开发与利用领域里，在构建地下人工热储构造时，可根据实际需求进行不同选型的系统性技术解决方案。在本发明中给出了八种不同类型的地下人工热储构建方式(见热储构造选型附表)。其优点和作用体现在：第一，可因地制宜。通过地勘获得当地地下热储资源的3D模型，量体裁衣选择最适应应用的地下人工热储构造构建方式；第二，选择综合性价比高的技术施工工艺，做到简便、经济、满足使用需求；第三，结合地上用热产业的现状和未来区域发展规划对用热产业进行前瞻性布局；第四，可根据总用热量及用热产业的类型进行深度的工程设计，完善项目对实际应用的工程量和生产参数的计算，编制出工程施工手册；第五，采热技术方案具备换热效率高、持续性久、系统运行稳定故障率低；实现合理综合投入产出性价比的经济指标。
2、本发明可根据上述五个因素选择最适宜的地下人工热储构造类型。在具体的项目应用时，根据本发明提供的计算公式，结合实地的测绘数据、应用需求指标值、以及工程技术规范等，完成相关地热综合开发与利用项目的工程设计工作。
3、在具体项目的落地实施过程中，本发明可指导完成系统化的技术应用、工程设计应用到采热用热技术指标计算都给出了解决办法。按照上述工作原理描述；本发明公开的构建地下人工热储构造其优势在于：第一，以满足地上用热产业的技术指标要求和产业集群的分布方式，提供多样性的选项方法。第二，从降低施工技术难度，提高产热效率，合理控制施工成本，针对不同的地质构造状况构建适用的地下人工热储等，具有综合性的技术叠加优势。
热储构造选型对照表
Figure BDA0002472459490000231
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种地下人工热储构造，其特征在于：至少包括设置于地下储热层并将地面注入的冷水加热的热交换通道、与热交换通道相连通将地面冷水注入的注水井、与热交换通道相连通将热交换通道加热的热水导出地面进行利用的生产井；所述热交换通道在横断面方向设置有周向裂隙或周向缝隙。
2.根据权利要求1所述地下人工热储构造，其特征在于：所述热交换通道至少为一组，每一组热交换通道有若干个；当所述热交换通道为一组时，若干个所述热交换通道相平行设置；当所述热交换通道为两组时，同组内的若干个热交换通道平行设置，不同组的热交换通道平行设置或相交设置。
3.根据权利要求2所述地下人工热储构造，其特征在于：所述热交换通道为竖井或为斜井；当所述热交换通道为斜井时，所述热交换通道的中心轴线与垂直方向的夹角为25°～45°。
4.根据权利要求3所述地下人工热储构造，其特征在于：当所述热交换通道为斜井时，所述地下人工热储构造还包括位于热交换通道下方且与热交换通道平行设置下辅井，所述下辅井和热交换通道的进口端与注水井相连通，所述下辅井和热交换通道的出口端与通道井相连通并通过通道井与生产井相连通；
当所述热交换通道为竖井时，所述热交换通道上方和下方分别设置有与热交换通道相交并连通的上辅井和下辅井，所述下辅井的进口端与注水井连通，所述热交换通道的进口端通过下辅井与注水井连通，所述上辅井的出口端与生产井相连通，所述热交换通道的出口端通过上辅井与生产井连通；所述热交换通道最外侧设置或不设置与热交换通道平行的通道井，当热交换通道最外侧设置有通道井时，所述通道井的进口端与下辅井相连通，出口端与上辅井相连通。
5.根据权利要求4所述地下人工热储构造，其特征在于：所述上辅井和下辅井为大斜度井或为水平井；当所述上辅井和下辅井为大斜度井时，其与垂直方向的夹角为25°～45°，所述下辅井与作为热交换通道的斜井平行设置，或者所述下辅井和上辅井与作为热交换通道的竖井相交；当所述上辅井和下辅井为水平井时，所述上辅井和下辅井与垂直方向的夹角为80°～90°，所述上辅井和下辅井与作为热交换通道的竖井相交或还与通道井相交。
6.根据权利要求5所述地下人工热储构造，其特征在于：所述热交换通道设置在硬质岩体储层中或软质岩体中或岩层裂隙处；所述硬质岩体储层是指强度≧30Mpa的岩体岩层，所述热交换通道采用压裂工艺设置在硬质岩体储层中；所述软质岩体是指强度<30Mpa的岩体岩层，所述热交换通道采用金属套管+外管壁固井的方式设置在软质岩体中或岩层裂隙处。
7.根据权利要求2所述地下人工热储构造，其特征在于：所述注水井、下辅井、通道井内衬设金属套管，生产井、上辅井、平衡井内衬非金属套管或内衬保温防腐层的金属套管。
8.根据权利要求7所述地下人工热储构造，其特征在于：所述金属套管为中碳钢管或合金钢管，所述非金属套管为PP管或PE管或PC管或树脂纤维复合套管。
9.根据权利要求2所述地下人工热储构造，其特征在于：所述金属套管的导热系数为40～70W/mK；非金属管的平均导热系数为：0.6～17W/mK；硬质岩石导热系数平均约为1.8～2.2W/mK；软质岩层的导热系数平均为：0.2～0.8W/mK。
10.根据权利要求9所述地下人工热储构造，其特征在于：所述注水井为一个，所述生产井为一个或多个；所述注水井与生产井之间或生产井与生产井之间设置有平衡井以连通注水井与生产井来平衡生产井与注水井之间的压力，所述平衡井设置在热储构造层上端接近地面的任意合适位置；所述平衡井的口径面积≤1/3生产井口径面积。
11.根据权利要求2所述地下人工热储构造，其特征在于：所述注水井的开采深度H1为2500～9000米；热交换通道长度H3为20～250米；在垂直方向，所述热交换通道6相邻间距或与通道井的间距L3≧200米，在水平方向，所述热交换通道6相邻间距或与下辅井之间的间距H6≧25米。
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